22/02/2012 - Comment l'eau se diffuse-t-elle à l'état liquide au niveau moléculaire à travers les nanocanaux ?

Menéame

Un article publié dans Physical Review par des scientifiques des universités de Grenade et de Barcelone pourrait bientôt changer les processus de dessalement et de filtrage de l’eau.

Des scientifiques des universités de Grenade et de Barcelone ont décrit pour la première fois au niveau moléculaire la façon dont l’eau liquide est diffusée par des nanocanaux, une sorte de tunnels extrêmement petits dont le diamètre interne est de 1 à 100 nanomètres (nm, unité de longueur qui équivaut à un milliardième d’un mètre et qui est utilisée dans le domaine de la nanotechnologie). Les scientifiques utilisent les nanocanaux pour étudier le comportement des molécules.

Ce travail pourrait changer en un court laps de temps notre façon de comprendre les processus de dessalement et de filtrage de l’eau, processus qui, comme il vient de le démontrer dans deux articles publiés dans Science, seront révolutionnés grâce à l’introduction de membranes de graphène et nanocouches de carbone dans lesquels l’eau se répand très rapidement lorsque la section des pores est de l’ordre de 1 nm.

L’eau liquide possède un étrange ensemble de propriétés que les autres composés chimiques ne partagent pas: jusqu'à 65 anomalies au total. Certaines d’entre elles sont connues depuis plus de 300 ans, comme le fait qu’elles s’étendent à un froid inférieur à 4 degrés Celsius.

Beaucoup de ces anomalies sont de type dynamique, par exemple la cause de mouvements plus rapides des molécules d’eau au fur et à mesure que la densité augmente, et elles sont toutes dues aux propriétés du réseau de liaisons par pont d’hydrogène qui forment les molécules d’eau, ce qui induit la formation de structures d’environ quatre molécules de tétraédrine autour d’une centrale. Toutefois, cette disposition géométrique change avec la pression et la température et, à ce jour, malgré la simplicité de sa molécule, il n’y avait aucune description moléculaire de l’eau qui décrive toutes ses propriétés connues à l’état liquide.


Un mystère à clarifier

Les résultats de la propagation de l’eau captive entre les parois hydrophobes sont particulièrement confus. Ni les expériences ni les simulations par ordinateur ne permettent de déterminer si le confinement favorise ou réduit la mobilité des molécules, bien que, grosso modo, elles semblent indiquer que celle-ci diminue ou augmente selon que la largeur des conduits est inférieure ou supérieure à 1 nm.

Dans un article paru dans le prestigieux magazine Physical Review, les professeurs Francisco de los Santos Fernández (Université de Grenade) et Giancarlo Franzese (Université de Barcelone) ont étudié par théorie et simulation comment l’eau réagit lorsqu'elle est confinée à l’échelle nanométrique entre deux plaques hydrophobes. Son travail a montré que la diffusion anormalement rapide de l’eau nanoconfinée est la conséquence de la concurrence entre, d’une part, la rupture et la formation de liaisons par pont d’hydrogène et, d’autre part, la disponibilité de volume libre pour les molécules de se réorganiser.

Lorsque l’eau est diffusée dans des canaux de section supérieure à 1 nm, la diffusion macroscopique n’est possible que s’il existe un mouvement coopératif de molécules, ce qui entraîne une rupture des liaisons par pont d’hydrogène dans les régions de 1nm. Dans les canaux de section inférieure à 1 nm, la diffusion est facilitée par le fait qu’il n’est pas nécessaire de briser autant de liens. Ainsi, comme l’ont montré cet article, 1 nanomètre est l’échelle à laquelle les effets coopératifs sur l’eau entrent en jeu et déterminent les propriétés macroscopiques.
 

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Pour plus d’informations:

•    Nouvelles propriétés de l’eau captive à basse température
 

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